干细胞研究的应用与前景

开展干细胞研究一般要经过以下三个阶段。①获得干细胞系。可以从动物或人的早期胚胎或各器官、组织中分离并经鉴定，且具有能在体外长期保持干细胞特性（一般应稳定传25代以上）的细胞。②对干细胞进行体外诱导分化。使用具有专一性的诱导物质诱导干细胞按预定的细胞类型方向分化，形成特定组织和器官，称为定向分化（directional differentiation），也可利用基因工程手段引入外源目的基因（对原有致病基因进行置换改造），诱导干细胞定向分化。③诱导分化细胞的永生化。ES细胞被诱导分化的终末分化细胞或其前体细胞（progenitor），只能原代或短期培养，往往不能在体外增殖传代，不能成为永生的细胞系。因此，必须使ES细胞被诱导产生的分化细胞永生化（immortalization），并将上述分化细胞培育体系植入动物或人的相应器官或组织，使其传代。

干细胞巨大的潜在应用价值引起世界许多国家和机构的高度重视，不惜投入巨资进行研究。实际上，到目前为止，人们对干细胞的了解仍存在许多盲区。不久前，美国研究人员发现在胰腺中存有干细胞，加拿大研究人员在人、鼠、牛的视网膜中发现了始终处于“休眠状态的干细胞”；有些科学家证实骨髓干细胞可发育成肝细胞，脑干细胞可发育成血细胞。随着干细胞研究领域在深度和广度上的不断扩展，人们对干细胞的了解也将更加全面。21世纪是生命科学的时代，也是为人类的健康长寿创造世界奇迹的时代，干细胞的应用将有广阔前景。

1.胚胎干细胞

胚胎干细胞是一类来自早期胚胎、原始生殖细胞或畸胎瘤组织的干细胞。在胚胎的发生发育中，当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（inner cell mass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有形成该生物体所有组织和器官的能力，即具有“全能性”，因此被称为“万能”细胞。

干细胞研究不仅操作烦琐而且对实验者的实验技能要求很高，我国徐荣祥教授等另辟蹊径，在皮肤干细胞原位再生方面取得了原创性的重大突破。他们对被烧伤的皮肤进行适当处理后，成功地直接诱导上皮组织基底层的干细胞分化生成皮肤细胞，使受伤的皮肤得以迅速康复。该技术显示我国干细胞研究已率先进入组织和器官的原位干细胞修复和复制阶段。

2.成体干细胞(www.xing528.com)

胚胎干细胞逐渐定向分化，朝着特定的组织器官发展，失去全能性而变得比较专一，它们能继续发育成器官组织，如心脏、肺、皮肤、骨髓、血管、骨骼肌和肝脏等，它们只能发育分化成一个系统中的几种细胞，但不能生成其他系统的细胞，因此这些干细胞称为“多能”干细胞，如果继续分化发育，将生成更加专门化的细胞，即“专能”干细胞，如红细胞、肌细胞、神经细胞等。终端细胞失去了分裂繁殖能力，只能按一定的程序分化成具有特定的功能细胞或组织，完成专门的生理机能，如输送氧气、肌肉收缩、传递信息等，当“终端”细胞逐渐衰老、死亡，专能干细胞就产生新的终端细胞补充，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。出生后的机体中除了专能干细胞外，仍保留了少量的多能干细胞，继续增殖分化。“多能”及“专能”干细胞统称为组织干细胞或成体干细胞（adult stem cell），研究证明成体干细胞不仅能进行定向分化，而且可以在特定环境条件诱导下实现重新编程（reprogramming）而进行横向分化。干细胞的横向分化的发现不仅从理论上改写了组织特异性干细胞只能定向分化的经典概念，而且为利用成体干细胞治疗疾病提供了可能。成体干细胞存在于机体的各种组织器官中，成年个体组织中的成体干细胞在正常情况下大多处于休眠状态，在病理状态或在外因诱导下可以表现出不同程度的再生和更新能力。

成体干细胞是治疗心力衰竭和心肌梗死等疾病十分有前途的方法。成体干细胞治疗的研究通过在受损伤的心肌中产生新的有功能的心肌细胞来修复受损伤的心肌，从而治疗心力衰竭。成体干细胞及其子代细胞移植或动员脑组织内的干细胞被认为是将来治疗神经退行性疾病的有效方法。瑞典神经学家Bjorklund及其同事已经应用从流产胎儿脑中分离出神经组织细胞，移植入患者的脑中来治疗帕金森病。对一个术后10年的患者进行跟踪研究，发现移植的神经元仍然存活并继续产生多巴胺，而且患者的症状得到明显改善。成体干细胞用于治疗帕金森病、中风、肌萎缩性侧索硬化症、亨廷顿氏舞蹈病，甚至精神分裂症等神经系统疾病均进行了大量的基础和试验研究，而治疗神经退行性疾病的研究仍处在起始阶段。进一步研究使之最终走向临床应用，还需要许多工作要做，如建立能够很好地模拟人类神经退行性疾病的动物模型；研究控制干细胞增殖的关键分子，以控制神经干细胞的过度生长，更好地实现移植细胞与已存在的神经突触网络的功能整合。

3.诱导多能或全能干细胞

诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，IPSCs）是借助基因导入技术将影响全能性的外源转录因子基因导入分化的体细胞，诱导其重新编程成为类似于胚胎干细胞的多能干细胞。2006年8月，Takahashi等利用24个候选基因的cDNA序列，通过实验从中筛选出4个与胚胎干细胞多能性密切相关的基因Oct-4、Sox 2、c-Myc和Klf 4，运用反转录病毒将它们导入小鼠胚胎成纤维细胞和鼠尾成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的IPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。2007年11月，Thompson实验室和山中伸弥实验室几乎同时报道，利用IPS技术同样可以诱导入皮肤成纤维细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的多能干细胞。2012年10月8日，英国研究员John Bertrand Gurdon和日本科学家山中伸弥，因为在IPS的成体细胞重编程成为干细胞的研究中做出了巨大贡献，共同获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。与经典的胚胎干细胞技术和体细胞核移植技术不同，IPS技术不使用胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学的问题。世界各地不同科学家陆续利用转基因方法进行了其他多种成体细胞的IPscs重编和定向分化研究，在医疗领域的应用前景非常广阔，也就是让普通体细胞“初始化”，成年细胞被重新编程使其具有与胚胎干细胞类似功能的细胞。这样绕开了胚胎干细胞研究所面临的伦理和法律等诸多障碍，解决了成体干细胞来源受限制的问题。IPS干细胞在神经系统疾病、心血管疾病等方面的作用也日益呈现，在体外已成功地被分化为神经元细胞、神经胶质细胞、心血管细胞和原始生殖细胞等，在临床疾病治疗中具有巨大的应用价值。2013年6月，美国Smith对诱导多能干细胞进行分化，在试管内制造出了无数的人类红血细胞和血小板。2013年7月，美国Samuel等使用人体诱导多能干细胞制造出能在实验鼠体内存活280d的人造血管。

IPSCs从一产生就引起了整个生命科学领域的轰动，最根本的原因在于其在理论上存在争议，但却是具有广阔研究前景ESCs的完美替代物，这意味着科学家已克服了因伦理问题不能采用ESCs进行细胞治疗的瓶颈，使得再生医学离临床又近了一步，并且其可以产生个体或病症特异的多能干细胞，可以最大限度地避免免疫排斥，用于治疗遗传和退行性疾病，这为最终实现疾病的个体化治疗打下坚实的基础。尽管目前IPSCs研究存在这样或那样的问题，近期各研究组利用IPSCs进行的一些诱导分化与疾病治疗性研究工作仍取得了突破性进展，并为将来利用IPSCs进行治疗性研究及大规模建立个体特异性IPSCs库提供了科学依据，必将促进细胞替代治疗的临床应用进一步发展。